JP4428442B2 - Spark ignition internal combustion engine - Google Patents

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Description

本発明は火花点火式内燃機関に関する。   The present invention relates to a spark ignition internal combustion engine.

燃焼室容積可変装置を具備しており、機関排気通路内に配置された触媒の温度が低下して活性が失われそうなときには燃焼室容積を増大させて実圧縮比を低下させ、それにより燃焼効率を悪化させて排気ガス温を上昇させ、触媒の温度を上昇させるようにした火花点火式内燃機関が公知である(例えば特許文献1を参照)。
特公平4−28893号公報
Combustion chamber volume variable device is equipped, and when the temperature of the catalyst arranged in the engine exhaust passage is lowered and the activity is likely to be lost, the combustion chamber volume is increased and the actual compression ratio is lowered, thereby causing combustion. A spark ignition type internal combustion engine in which efficiency is deteriorated to increase exhaust gas temperature to increase the temperature of a catalyst is known (see, for example, Patent Document 1).
Japanese Patent Publication No. 4-28893

しかしながら触媒の温度を上昇させるために実圧縮比を低下させると燃料の着火および燃焼が悪化するために安定した燃焼が得られなくなるという問題がある。   However, if the actual compression ratio is lowered in order to increase the temperature of the catalyst, there is a problem that stable combustion cannot be obtained because the ignition and combustion of the fuel deteriorates.

上記問題を解決するために本発明によれば、機械圧縮比を変更可能な可変圧縮比機構と、吸気弁の閉弁時期を制御可能な可変バルブタイミング機構と、機関吸気通路内に配置されたスロットル弁と、機関排気通路内に配置された触媒とを具備しており、触媒が活性化しているときには機械圧縮比は機関負荷が低くなるにつれて最大機械圧縮比まで増大せしめられると共に吸気弁の閉弁時期は機関負荷が低くなるにつれて吸気下死点から離れる方向に移動せしめられる火花点火式内燃機関において、機関排気通路内に配置された触媒の温度を予測する予測手段とを具備しており、触媒の温度が活性温度以下に低下すると予測されたときは実圧縮比を同一に保持しつつ又は実圧縮比を増大させつつ実膨張比を低下させるために機関負荷が低下するに応じて、機械圧縮比の低下量が大きくされ、吸気弁の閉弁時期を吸気下死点に近づく方向に移動させる量が大きくされ、スロットル弁の開度の低下量が大きくされる。 In order to solve the above problem, according to the present invention, a variable compression ratio mechanism capable of changing the mechanical compression ratio, a variable valve timing mechanism capable of controlling the closing timing of the intake valve, and the engine intake passage are disposed. A throttle valve and a catalyst disposed in the engine exhaust passage are provided. When the catalyst is activated, the mechanical compression ratio is increased to the maximum mechanical compression ratio as the engine load is reduced, and the intake valve is closed. In the spark ignition type internal combustion engine that is moved in a direction away from the intake bottom dead center as the engine load becomes low, the valve timing includes a predicting means for predicting the temperature of the catalyst disposed in the engine exhaust passage. engine load in order to reduce the actual expansion ratio while increasing the while being or actual compression ratio holding the actual compression ratio at the same is lowered when the temperature of the catalyst is expected to drop below the activation temperature Correspondingly, the larger the amount of decrease in the mechanical compression ratio, the larger the amount to be moved toward the valve closing timing of the intake valve to the intake bottom dead center, the amount of decrease in the opening degree of the throttle valve is increased.

良好な燃料の着火および燃焼を確保しつつ触媒の温度を上昇させることができる。   The temperature of the catalyst can be increased while ensuring good fuel ignition and combustion.

図1に火花点火式内燃機関の側面断面図を示す。
図1を参照すると、1はクランクケース、2はシリンダブロック、3はシリンダヘッド、4はピストン、5は燃焼室、6は燃焼室5の頂面中央部に配置された点火栓、7は吸気弁、8は吸気ポート、9は排気弁、10は排気ポートを夫々示す。吸気ポート8は吸気枝管11を介してサージタンク12に連結され、各吸気枝管11には夫々対応する吸気ポート8内に向けて燃料を噴射するための燃料噴射弁13が配置される。なお、燃料噴射弁13は各吸気枝管11に取付ける代りに各燃焼室5内に配置してもよい。
FIG. 1 shows a side sectional view of a spark ignition type internal combustion engine.
Referring to FIG. 1, 1 is a crankcase, 2 is a cylinder block, 3 is a cylinder head, 4 is a piston, 5 is a combustion chamber, 6 is a spark plug disposed at the center of the top surface of the combustion chamber 5, and 7 is intake air. 8 is an intake port, 9 is an exhaust valve, and 10 is an exhaust port. The intake port 8 is connected to a surge tank 12 via an intake branch pipe 11, and a fuel injection valve 13 for injecting fuel into the corresponding intake port 8 is arranged in each intake branch pipe 11. The fuel injection valve 13 may be arranged in each combustion chamber 5 instead of being attached to each intake branch pipe 11.

サージタンク12は吸気ダクト14を介して排気ターボチャージャ15のコンプレッサ15aの出口に連結され、コンプレッサ15aの入口は例えば熱線を用いた吸入空気量検出器16を介してエアクリーナに連結される。吸気ダクト14内にはアクチュエータ18によって駆動されるスロットル弁19が配置される。   The surge tank 12 is connected to the outlet of the compressor 15a of the exhaust turbocharger 15 via an intake duct 14, and the inlet of the compressor 15a is connected to an air cleaner via an intake air amount detector 16 using, for example, heat rays. A throttle valve 19 driven by an actuator 18 is disposed in the intake duct 14.

一方、排気ポート10は排気マニホルド20を介して排気ターボチャージャ15の排気タービン15bの入口に連結され、排気タービン15bの出口は排気管21を介して例えば三元触媒を内蔵した触媒コンバータ22に連結される。排気管21内には空燃比センサ23が配置され、触媒コンバータ22の下流には三元触媒の温度を検出するための温度センサ24が配置される。   On the other hand, the exhaust port 10 is connected to an inlet of an exhaust turbine 15b of an exhaust turbocharger 15 via an exhaust manifold 20, and an outlet of the exhaust turbine 15b is connected to a catalytic converter 22 containing, for example, a three-way catalyst via an exhaust pipe 21. Is done. An air-fuel ratio sensor 23 is arranged in the exhaust pipe 21, and a temperature sensor 24 for detecting the temperature of the three-way catalyst is arranged downstream of the catalytic converter 22.

一方、図1に示される実施例ではクランクケース1とシリンダブロック2との連結部にクランクケース1とシリンダブロック2のシリンダ軸線方向の相対位置を変化させることによりピストン4が圧縮上死点に位置するときの燃焼室5の容積を変更可能な可変圧縮比機構Aが設けられており、更に実際の圧縮作用の開始時期を変更するために吸気弁7の閉弁時期を制御可能でありかつ吸気弁7の開弁時期も個別に制御可能な可変バルブタイミング機構Bが設けられている。   On the other hand, in the embodiment shown in FIG. 1, the piston 4 is positioned at the compression top dead center by changing the relative position of the crankcase 1 and the cylinder block 2 in the cylinder axial direction at the connecting portion between the crankcase 1 and the cylinder block 2. There is provided a variable compression ratio mechanism A capable of changing the volume of the combustion chamber 5 when performing the operation, and the valve closing timing of the intake valve 7 can be controlled and the intake air can be controlled in order to change the actual start timing of the compression action. A variable valve timing mechanism B capable of individually controlling the valve opening timing of the valve 7 is provided.

電子制御ユニット30はデジタルコンピュータからなり、双方向性バス31によって互いに接続されたROM(リードオンリメモリ)32、RAM(ランダムアクセスメモリ)33、CPU(マイクロプロセッサ)34、入力ポート35および出力ポート36を具備する。吸入空気量検出器16の出力信号、空燃比センサ23の出力信号および温度センサ24の出力信号は夫々対応するAD変換器37を介して入力ポート35に入力される。また、アクセルペダル40にはアクセルペダル40の踏込み量Lに比例した出力電圧を発生する負荷センサ41が接続され、負荷センサ41の出力電圧は対応するAD変換器37を介して入力ポート35に入力される。更に入力ポート35にはクランクシャフトが例えば30°回転する毎に出力パルスを発生するクランク角センサ42が接続される。一方、出力ポート36は対応する駆動回路38を介して点火栓6、燃料噴射弁13、スロットル弁駆動用アクチュエータ18、可変圧縮比機構Aおよび可変バルブタイミング機構Bに接続される。   The electronic control unit 30 is composed of a digital computer and includes a ROM (Read Only Memory) 32, a RAM (Random Access Memory) 33, a CPU (Microprocessor) 34, an input port 35 and an output port 36 connected to each other by a bidirectional bus 31. It comprises. The output signal of the intake air amount detector 16, the output signal of the air-fuel ratio sensor 23, and the output signal of the temperature sensor 24 are input to the input port 35 via corresponding AD converters 37, respectively. A load sensor 41 that generates an output voltage proportional to the depression amount L of the accelerator pedal 40 is connected to the accelerator pedal 40, and the output voltage of the load sensor 41 is input to the input port 35 via the corresponding AD converter 37. Is done. Further, a crank angle sensor 42 that generates an output pulse every time the crankshaft rotates, for example, 30 ° is connected to the input port 35. On the other hand, the output port 36 is connected to the spark plug 6, the fuel injection valve 13, the throttle valve driving actuator 18, the variable compression ratio mechanism A, and the variable valve timing mechanism B through corresponding drive circuits 38.

図2は図1に示す可変圧縮比機構Aの分解斜視図を示しており、図3は図解的に表した内燃機関の側面断面図を示している。図2を参照すると、シリンダブロック2の両側壁の下方には互いに間隔を隔てた複数個の突出部50が形成されており、各突出部50内には夫々断面円形のカム挿入孔51が形成されている。一方、クランクケース1の上壁面上には互いに間隔を隔てて夫々対応する突出部50の間に嵌合せしめられる複数個の突出部52が形成されており、これらの各突出部52内にも夫々断面円形のカム挿入孔53が形成されている。   2 is an exploded perspective view of the variable compression ratio mechanism A shown in FIG. 1, and FIG. 3 is a side sectional view of the internal combustion engine schematically shown. Referring to FIG. 2, a plurality of protrusions 50 spaced from each other are formed below both side walls of the cylinder block 2, and cam insertion holes 51 each having a circular cross section are formed in each protrusion 50. Has been. On the other hand, a plurality of protrusions 52 are formed on the upper wall surface of the crankcase 1 so as to be fitted between the corresponding protrusions 50 spaced apart from each other. Cam insertion holes 53 each having a circular cross section are formed.

図2に示されるように一対のカムシャフト54,55が設けられており、各カムシャフト54,55上には一つおきに各カム挿入孔51内に回転可能に挿入される円形カム56が固定されている。これらの円形カム56は各カムシャフト54,55の回転軸線と共軸をなす。一方、各円形カム56間には図3においてハッチングで示すように各カムシャフト54,55の回転軸線に対して偏心配置された偏心軸57が延びており、この偏心軸57上に別の円形カム58が偏心して回転可能に取付けられている。図2に示されるようにこれら円形カム58は各円形カム56間に配置されており、これら円形カム58は対応する各カム挿入孔53内に回転可能に挿入されている。   As shown in FIG. 2, a pair of camshafts 54 and 55 are provided, and on each camshaft 54 and 55, a circular cam 56 is rotatably inserted into each cam insertion hole 51. It is fixed. These circular cams 56 are coaxial with the rotational axes of the camshafts 54 and 55. On the other hand, an eccentric shaft 57 arranged eccentrically with respect to the rotation axis of each camshaft 54, 55 extends between the circular cams 56 as shown by hatching in FIG. A cam 58 is eccentrically mounted for rotation. As shown in FIG. 2, the circular cams 58 are disposed between the circular cams 56, and the circular cams 58 are rotatably inserted into the corresponding cam insertion holes 53.

図3(A)に示すような状態から各カムシャフト54,55上に固定された円形カム56を図3(A)において実線の矢印で示される如く互いに反対方向に回転させると偏心軸57が下方中央に向けて移動するために円形カム58がカム挿入孔53内において図3(A)の破線の矢印に示すように円形カム56とは反対方向に回転し、図3(B)に示されるように偏心軸57が下方中央まで移動すると円形カム58の中心が偏心軸57の下方へ移動する。   When the circular cams 56 fixed on the camshafts 54 and 55 are rotated in opposite directions as indicated by solid arrows in FIG. 3A from the state shown in FIG. In order to move toward the lower center, the circular cam 58 rotates in the opposite direction to the circular cam 56 in the cam insertion hole 53 as shown by the broken arrow in FIG. 3A, and is shown in FIG. As described above, when the eccentric shaft 57 moves to the lower center, the center of the circular cam 58 moves below the eccentric shaft 57.

図3(A)と図3(B)とを比較するとわかるようにクランクケース1とシリンダブロック2の相対位置は円形カム56の中心と円形カム58の中心との距離によって定まり、円形カム56の中心と円形カム58の中心との距離が大きくなるほどシリンダブロック2はクランクケース1から離れる。シリンダブロック2がクランクケース1から離れるとピストン4が圧縮上死点に位置するときの燃焼室5の容積は増大し、従って各カムシャフト54,55を回転させることによってピストン4が圧縮上死点に位置するときの燃焼室5の容積を変更することができる。   3A and 3B, the relative positions of the crankcase 1 and the cylinder block 2 are determined by the distance between the center of the circular cam 56 and the center of the circular cam 58. The cylinder block 2 moves away from the crankcase 1 as the distance between the center and the center of the circular cam 58 increases. When the cylinder block 2 moves away from the crankcase 1, the volume of the combustion chamber 5 increases when the piston 4 is positioned at the compression top dead center. Therefore, by rotating the camshafts 54 and 55, the piston 4 is compressed at the top dead center. The volume of the combustion chamber 5 when it is located at can be changed.

図2に示されるように各カムシャフト54,55を夫々反対方向に回転させるために駆動モータ59の回転軸には夫々螺旋方向が逆向きの一対のウォームギア61,62が取付けられており、これらウォームギア61,62と噛合する歯車63,64が夫々各カムシャフト54,55の端部に固定されている。この実施例では駆動モータ59を駆動することによってピストン4が圧縮上死点に位置するときの燃焼室5の容積を広い範囲に亘って変更することができる。なお、図1から図3に示される可変圧縮比機構Aは一例を示すものであっていかなる形式の可変圧縮比機構でも用いることができる。   As shown in FIG. 2, in order to rotate the camshafts 54 and 55 in the opposite directions, a pair of worm gears 61 and 62 having opposite spiral directions are attached to the rotation shafts of the drive motor 59, respectively. Gears 63 and 64 that mesh with the worm gears 61 and 62 are fixed to the ends of the camshafts 54 and 55, respectively. In this embodiment, by driving the drive motor 59, the volume of the combustion chamber 5 when the piston 4 is located at the compression top dead center can be changed over a wide range. The variable compression ratio mechanism A shown in FIGS. 1 to 3 shows an example, and any type of variable compression ratio mechanism can be used.

一方、図4は図1において吸気弁7を駆動するためのカムシャフト70に対して設けられている可変バルブタイミング機構Bを示している。図4に示されるように可変バルブタイミング機構Bはカムシャフト70の一端に取付けられてカムシャフト70のカムの位相を変更するためのカム位相変更部B1と、カムシャフト70および吸気弁7のバルブリフタ24間に配置されてカムシャフト70のカムの作用角を異なる作用角に変更して吸気弁7に伝達するカム作用角変更部B2から構成されている。なお、図4にカム作用角変更部B2については側面断面図と平面図とが示されている。   4 shows a variable valve timing mechanism B provided for the camshaft 70 for driving the intake valve 7 in FIG. As shown in FIG. 4, the variable valve timing mechanism B is attached to one end of the camshaft 70 to change the cam phase of the camshaft 70, and the camshaft 70 and intake valve 7 valve lifters. The cam operating angle changing portion B2 is disposed between the cam shafts 70 and changes the cam operating angle of the camshaft 70 to a different operating angle and transmits the cam operating angle to the intake valve 7. FIG. 4 shows a side sectional view and a plan view of the cam working angle changing portion B2.

まず初めに可変バルブタイミング機構Bのカム位相変更部B1について説明すると、このカム位相変更部B1は機関のクランク軸によりタイミングベルトを介して矢印方向に回転せしめられるタイミングプーリ71と、タイミングプーリ71と一緒に回転する円筒状ハウジング72と、カムシャフト70と一緒に回転しかつ円筒状ハウジング72に対して相対回転可能な回転軸73と、円筒状ハウジング72の内周面から回転軸73の外周面まで延びる複数個の仕切壁74と、各仕切壁74の間で回転軸73の外周面から円筒状ハウジング72の内周面まで延びるベーン75とを具備しており、各ベーン75の両側には夫々進角用油圧室76と遅角用油圧室77とが形成されている。   First, the cam phase changing portion B1 of the variable valve timing mechanism B will be described. The cam phase changing portion B1 is rotated by a crankshaft of the engine via a timing belt in a direction indicated by an arrow, a timing pulley 71, A cylindrical housing 72 that rotates together, a rotating shaft 73 that rotates together with the camshaft 70 and that can rotate relative to the cylindrical housing 72, and an outer peripheral surface of the rotating shaft 73 from an inner peripheral surface of the cylindrical housing 72 And a plurality of partition walls 74 extending between the partition walls 74 and the outer peripheral surface of the rotating shaft 73 to the inner peripheral surface of the cylindrical housing 72. An advance hydraulic chamber 76 and a retard hydraulic chamber 77 are formed respectively.

各油圧室76,77への作動油の供給制御は作動油供給制御弁78によって行われる。この作動油供給制御弁78は各油圧室76,77に夫々連結された油圧ポート79,80と、油圧ポンプ81から吐出された作動油の供給ポート82と、一対のドレインポート83,84と、各ポート79,80,82,83,84間の連通遮断制御を行うスプール弁85とを具備している。   The hydraulic oil supply control to the hydraulic chambers 76 and 77 is performed by a hydraulic oil supply control valve 78. The hydraulic oil supply control valve 78 includes hydraulic ports 79 and 80 connected to the hydraulic chambers 76 and 77, a hydraulic oil supply port 82 discharged from the hydraulic pump 81, a pair of drain ports 83 and 84, And a spool valve 85 for controlling communication between the ports 79, 80, 82, 83, and 84.

カムシャフト70のカムの位相を進角すべきときは図4においてスプール弁85が下方に移動せしめられ、供給ポート82から供給された作動油が油圧ポート79を介して進角用油圧室76に供給されると共に遅角用油圧室77内の作動油がドレインポート84から排出される。このとき回転軸73は円筒状ハウジング72に対して矢印X方向に相対回転せしめられる。   When the cam phase of the camshaft 70 is to be advanced, the spool valve 85 is moved downward in FIG. 4, and the hydraulic oil supplied from the supply port 82 enters the advance angle hydraulic chamber 76 via the hydraulic port 79. The hydraulic oil in the retarding hydraulic chamber 77 is supplied and discharged from the drain port 84. At this time, the rotation shaft 73 is rotated relative to the cylindrical housing 72 in the arrow X direction.

これに対し、カムシャフト70のカムの位相を遅角すべきときは図4においてスプール弁85が上方に移動せしめられ、供給ポート82から供給された作動油が油圧ポート80を介して遅角用油圧室77に供給されると共に進角用油圧室76内の作動油がドレインポート83から排出される。このとき回転軸73は円筒状ハウジング72に対して矢印Xと反対方向に相対回転せしめられる。   On the other hand, when the cam phase of the camshaft 70 is to be retarded, the spool valve 85 is moved upward in FIG. 4 and the hydraulic oil supplied from the supply port 82 is used for retarding via the hydraulic port 80. The hydraulic oil in the advance hydraulic chamber 76 is discharged from the drain port 83 while being supplied to the hydraulic chamber 77. At this time, the rotating shaft 73 is rotated relative to the cylindrical housing 72 in the direction opposite to the arrow X.

回転軸73が円筒状ハウジング72に対して相対回転せしめられているときにスプール弁85が図4に示される中立位置に戻されると回転軸73の相対回転動作は停止せしめられ、回転軸73はそのときの相対回転位置に保持される。従ってカム位相変更部B1によってカムシャフト70のカムの位相を所望の量だけ進角又は遅角させることができる。即ち、カム位相変更部B1によって吸気弁7の開弁時期を任意に進角又は遅角させることができることになる。   If the spool valve 85 is returned to the neutral position shown in FIG. 4 while the rotation shaft 73 is rotated relative to the cylindrical housing 72, the relative rotation operation of the rotation shaft 73 is stopped, and the rotation shaft 73 is The relative rotation position at that time is held. Therefore, the cam phase change portion B1 can advance or retard the cam phase of the camshaft 70 by a desired amount. That is, the valve opening timing of the intake valve 7 can be arbitrarily advanced or retarded by the cam phase changing unit B1.

次に可変バルブタイミング機構Bのカム作用角変更部B2について説明すると、このカム作用角変更部B2はカムシャフト70と平行に並列配置されかつアクチュエータ91によって軸線方向に移動せしめられる制御ロッド90と、カムシャフト70のカム92と係合しかつ制御ロッド90上に形成された軸線方向に延びるスプライン93に摺動可能に嵌合せしめられている中間カム94と、吸気弁7を駆動するためにバルブリフタ24と係合しかつ制御ロッド90上に形成された螺旋状に延びるスプライン95に摺動可能に嵌合する揺動カム96とを具備しており、揺動カム96上にはカム97が形成されている。   Next, the cam working angle changing portion B2 of the variable valve timing mechanism B will be described. The cam working angle changing portion B2 is arranged in parallel with the camshaft 70 and is moved in the axial direction by the actuator 91; An intermediate cam 94 engaged with the cam 92 of the camshaft 70 and slidably fitted to an axially extending spline 93 formed on the control rod 90 and a valve lifter for driving the intake valve 7 And a swing cam 96 slidably fitted to a spirally extending spline 95 formed on the control rod 90. A cam 97 is formed on the swing cam 96. Has been.

カムシャフト90が回転するとカム92によって中間カム94が常に一定の角度だけ揺動せしめられ、このとき揺動カム96も一定の角度だけ揺動せしめられる。一方、中間カム94および揺動カム96は制御ロッド90の軸線方向には移動不能に支持されており、従って制御ロッド90がアクチュエータ91によって軸線方向に移動せしめられたときに揺動カム96は中間カム94に対して相対回転せしめられることになる。   When the camshaft 90 is rotated, the intermediate cam 94 is always swung by a certain angle by the cam 92. At this time, the rocking cam 96 is also swung by a certain angle. On the other hand, the intermediate cam 94 and the swing cam 96 are supported so as not to move in the axial direction of the control rod 90. Therefore, when the control rod 90 is moved in the axial direction by the actuator 91, the swing cam 96 is intermediate. It is rotated relative to the cam 94.

中間カム94と揺動カム96との相対回転位置関係によりカムシャフト70のカム92が中間カム94と係合しはじめたときに揺動カム86のカム97がバルブリフタ24と係合しはじめる場合には図5(B)においてaで示されるように吸気弁7の開弁期間およびリフトは最も大きくなる。これに対し、アクチュエータ91によって揺動カム96が中間カム94に対して図4の矢印Y方向に相対回転せしめられると、カムシャフト70のカム92が中間カム94に係合した後、暫らくしてから揺動カム96のカム97がバルブリフタ24と係合する。この場合には図5(B)においてbで示されるように吸気弁7の開弁期間およびリフト量はaに比べて小さくなる。   When the cam 97 of the swing cam 86 starts to engage with the valve lifter 24 when the cam 92 of the cam shaft 70 starts to engage with the intermediate cam 94 due to the relative rotational positional relationship between the intermediate cam 94 and the swing cam 96. As shown by a in FIG. 5B, the valve opening period and the lift of the intake valve 7 become the largest. On the other hand, when the swing cam 96 is rotated relative to the intermediate cam 94 in the direction of the arrow Y by the actuator 91, the cam 92 of the camshaft 70 is engaged with the intermediate cam 94 for a while. Thereafter, the cam 97 of the swing cam 96 is engaged with the valve lifter 24. In this case, as indicated by b in FIG. 5B, the valve opening period and the lift amount of the intake valve 7 are smaller than a.

揺動カム96が中間カム94に対して図4の矢印Y方向に更に相対回転せしめられると図5(B)においてcで示されるように吸気弁7の開弁期間およびリフト量は更に小さくなる。即ち、アクチュエータ91により中間カム94と揺動カム96の相対回転位置を変更することによって吸気弁7の開弁期間を任意に変えることができる。ただし、この場合、吸気弁7のリフト量は吸気弁7の開弁期間が短かくなるほど小さくなる。   When the swing cam 96 is further rotated relative to the intermediate cam 94 in the direction of the arrow Y in FIG. 4, the valve opening period and the lift amount of the intake valve 7 are further reduced as indicated by c in FIG. . That is, the valve opening period of the intake valve 7 can be arbitrarily changed by changing the relative rotational position of the intermediate cam 94 and the swing cam 96 by the actuator 91. However, in this case, the lift amount of the intake valve 7 becomes smaller as the opening period of the intake valve 7 becomes shorter.

このようにカム位相変更部B1によって吸気弁7の開弁時期を任意に変更することができ、カム作用角変更部B2によって吸気弁7の開弁期間を任意に変更することができるのでカム位相変更部B1とカム作用角変更部B2との双方によって、即ち可変バルブタイミング機構Bによって吸気弁7の開弁時期と開弁期間とを、即ち吸気弁7の開弁時期と閉弁時期とを任意に変更することができることになる。   Thus, the cam phase changing unit B1 can arbitrarily change the valve opening timing of the intake valve 7, and the cam operating angle changing unit B2 can arbitrarily change the valve opening period of the intake valve 7, so that the cam phase By both the change part B1 and the cam working angle change part B2, that is, by the variable valve timing mechanism B, the valve opening timing and the valve opening period of the intake valve 7, that is, the valve opening timing and the valve closing timing of the intake valve 7 are set. It can be changed arbitrarily.

なお、図1および図4に示される可変バルブタイミング機構Bは一例を示すものであって、図1および図4に示される例以外の種々の形式の可変バルブタイミング機構を用いることができる。   The variable valve timing mechanism B shown in FIGS. 1 and 4 shows an example, and various types of variable valve timing mechanisms other than the examples shown in FIGS. 1 and 4 can be used.

次に図6を参照しつつ本願において使用されている用語の意味について説明する。なお、図6の(A),(B),(C),(D)には説明のために燃焼室容積が50mlでピストンの行程容積が500mlであるエンジンが示されており、これら図6の(A),(B),(C),(D)において燃焼室容積とはピストンが圧縮上死点に位置するときの燃焼室の容積を表している。   Next, the meanings of terms used in the present application will be described with reference to FIG. 6 (A), (B), (C), and (D) show an engine having a combustion chamber volume of 50 ml and a piston stroke volume of 500 ml for the sake of explanation. In (A), (B), (C), and (D), the combustion chamber volume represents the volume of the combustion chamber when the piston is located at the compression top dead center.

図6(A)は機械圧縮比について説明している。機械圧縮比は圧縮行程時のピストンの行程容積と燃焼室容積のみから機械的に定まる値であってこの機械圧縮比は(燃焼室容積+行程容積)/燃焼室容積で表される。図6(A)に示される例ではこの機械圧縮比は(50ml+500ml)/50ml=11となる。   FIG. 6A explains the mechanical compression ratio. The mechanical compression ratio is a value mechanically determined only from the stroke volume of the piston and the combustion chamber volume during the compression stroke, and this mechanical compression ratio is expressed by (combustion chamber volume + stroke volume) / combustion chamber volume. In the example shown in FIG. 6A, this mechanical compression ratio is (50 ml + 500 ml) / 50 ml = 11.

図6(B)は実圧縮比について説明している。この実圧縮比は実際に圧縮作用が開始されたときからピストンが上死点に達するまでの実際のピストン行程容積と燃焼室容積から定まる値であってこの実圧縮比は(燃焼室容積+実際の行程容積)/燃焼室容積で表される。即ち、図6(B)に示されるように圧縮行程においてピストンが上昇を開始しても吸気弁が開弁している間は圧縮作用は行われず、吸気弁が閉弁したときから実際の圧縮作用が開始される。従って実圧縮比は実際の行程容積を用いて上記の如く表される。図6(B)に示される例では実圧縮比は(50ml+450ml)/50ml=10となる。   FIG. 6B describes the actual compression ratio. This actual compression ratio is a value determined from the actual piston stroke volume and the combustion chamber volume from when the compression action is actually started until the piston reaches top dead center, and this actual compression ratio is (combustion chamber volume + actual (Stroke volume) / combustion chamber volume. That is, as shown in FIG. 6B, even if the piston starts to rise in the compression stroke, the compression operation is not performed while the intake valve is open, and the actual compression is performed from the time when the intake valve is closed. The action begins. Therefore, the actual compression ratio is expressed as described above using the actual stroke volume. In the example shown in FIG. 6B, the actual compression ratio is (50 ml + 450 ml) / 50 ml = 10.

図6(C)は膨張比について説明している。膨張比は膨張行程時のピストンの行程容積と燃焼室容積から定まる値であってこの膨張比は(燃焼室容積+行程容積)/燃焼室容積で表される。図6(C)に示される例ではこの膨張比は(50ml+500ml)/50ml=11となる。   FIG. 6C illustrates the expansion ratio. The expansion ratio is a value determined from the stroke volume of the piston and the combustion chamber volume during the expansion stroke, and this expansion ratio is expressed by (combustion chamber volume + stroke volume) / combustion chamber volume. In the example shown in FIG. 6C, this expansion ratio is (50 ml + 500 ml) / 50 ml = 11.

図6(D)は実膨張比について説明している。この実膨張比は膨張作用が開始されたときから実際に膨張作用が終了するまで、即ち排気弁9が開弁するまでの実際の排気行程容積と燃焼室容積から定まる値であってこの実膨張比は(燃焼室容積+実際の排気行程容積)/燃焼室容積で表される。図6(D)に示される例では実膨張比は(50ml+450ml)/50ml=10となる。   FIG. 6D illustrates the actual expansion ratio. This actual expansion ratio is a value determined from the actual exhaust stroke volume and the combustion chamber volume from when the expansion action is started until the expansion action is actually finished, that is, until the exhaust valve 9 is opened. The ratio is expressed as (combustion chamber volume + actual exhaust stroke volume) / combustion chamber volume. In the example shown in FIG. 6D, the actual expansion ratio is (50 ml + 450 ml) / 50 ml = 10.

次に図7および図8を参照しつつ本発明において用いられている超高膨張比サイクルについて説明する。なお、図7は理論熱効率と実膨張比との関係を示しており、図8は本発明において負荷に応じ使い分けられている通常のサイクルと超高膨張比サイクルとの比較を示している。   Next, an ultra-high expansion ratio cycle used in the present invention will be described with reference to FIGS. FIG. 7 shows the relationship between the theoretical thermal efficiency and the actual expansion ratio, and FIG. 8 shows a comparison between a normal cycle and an ultrahigh expansion ratio cycle that are selectively used according to the load in the present invention.

図8(A)は吸気弁が下死点近傍で閉弁し、ほぼ圧縮下死点付近からピストンによる圧縮作用が開始される場合の通常のサイクルを示している。この図8(A)に示す例でも図6の(A),(B),(C),(D)に示す例と同様に燃焼室容積が50mlとされ、ピストンの行程容積が500mlとされている。図8(A)からわかるように通常のサイクルでは機械圧縮比は(50ml+500ml)/50ml=11であり、実圧縮比もほぼ11であり、膨張比および実膨張比も(50ml+500ml)/50ml=11となる。即ち、通常の内燃機関では機械圧縮比と実圧縮比と膨張比と実膨張比とがほぼ等しくなる。   FIG. 8A shows a normal cycle when the intake valve closes near the bottom dead center and the compression action by the piston is started from the vicinity of the compression bottom dead center. In the example shown in FIG. 8 (A), the combustion chamber volume is set to 50 ml and the stroke volume of the piston is set to 500 ml, as in the examples shown in FIGS. 6 (A), (B), (C) and (D). ing. As can be seen from FIG. 8A, in a normal cycle, the mechanical compression ratio is (50 ml + 500 ml) / 50 ml = 11, the actual compression ratio is almost 11, and the expansion ratio and the actual expansion ratio are also (50 ml + 500 ml) / 50 ml = 11. It becomes. That is, in a normal internal combustion engine, the mechanical compression ratio, the actual compression ratio, the expansion ratio, and the actual expansion ratio are substantially equal.

図7における実線は実圧縮比と実膨張比とがほぼ等しい場合の、即ち通常のサイクルにおける理論熱効率の変化を示している。この場合には実膨張比が大きくなるほど、即ち実圧縮比が高くなるほど理論熱効率が高くなることがわかる。従って通常のサイクルにおいて理論熱効率を高めるには実圧縮比を高くすればよいことになる。しかしながら機関高負荷運転時におけるノッキングの発生の制約により実圧縮比は最大でも12程度までしか高くすることができず、斯くして通常のサイクルにおいては理論熱効率を十分に高くすることはできない。   The solid line in FIG. 7 shows the change in the theoretical thermal efficiency when the actual compression ratio and the actual expansion ratio are substantially equal, that is, in a normal cycle. In this case, it can be seen that the theoretical thermal efficiency increases as the actual expansion ratio increases, that is, as the actual compression ratio increases. Therefore, in order to increase the theoretical thermal efficiency in a normal cycle, it is only necessary to increase the actual compression ratio. However, the actual compression ratio can only be increased to a maximum of about 12 due to the restriction of the occurrence of knocking at the time of engine high load operation, and thus the theoretical thermal efficiency cannot be sufficiently increased in a normal cycle.

一方、このような状況下で本発明者は機械圧縮比と実圧縮比とを厳密に区分して理論熱効率を高めることについて検討し、その結果理論熱効率は実膨張比が支配し、理論熱効率に対して実圧縮比はほとんど影響を与えないことを見い出したのである。即ち、実圧縮比を高くすると爆発力は高まるが圧縮するために大きなエネルギーが必要となり、斯くして実圧縮比を高めても理論熱効率はほとんど高くならない。   On the other hand, in this situation, the present inventor has studied to increase the theoretical thermal efficiency by strictly dividing the mechanical compression ratio and the actual compression ratio, and as a result, the theoretical thermal efficiency is governed by the actual expansion ratio, and the theoretical thermal efficiency On the other hand, it was found that the actual compression ratio has little influence. That is, if the actual compression ratio is increased, the explosive force is increased, but a large amount of energy is required for compression. Thus, even if the actual compression ratio is increased, the theoretical thermal efficiency is hardly increased.

これに対し、実膨張比を大きくすると膨張行程時にピストンに対し押下げ力が作用する期間が長くなり、斯くしてピストンがクランクシャフトに回転力を与えている期間が長くなる。従って実膨張比は大きくすれば大きくするほど理論熱効率が高くなる。図7の破線は実圧縮比を10に固定した状態で実膨張比を高くしていった場合の理論熱効率を示している。このように実圧縮比を低い値に維持した状態で実膨張比を高くしたときの理論熱効率の上昇量と、図7の実線で示す如く実圧縮比も実膨張比と共に増大せしめられる場合の理論熱効率の上昇量とは大きな差がないことがわかる。   On the other hand, when the actual expansion ratio is increased, the period during which the pressing force acts on the piston during the expansion stroke becomes longer, and thus the period during which the piston applies the rotational force to the crankshaft becomes longer. Accordingly, the theoretical thermal efficiency increases as the actual expansion ratio increases. The broken line in FIG. 7 indicates the theoretical thermal efficiency when the actual expansion ratio is increased while the actual compression ratio is fixed at 10. In this way, the theoretical thermal efficiency increases when the actual expansion ratio is increased while the actual compression ratio is maintained at a low value, and the theory when the actual compression ratio is increased together with the actual expansion ratio as shown by the solid line in FIG. It can be seen that there is no significant difference from the increase in thermal efficiency.

このように実圧縮比が低い値に維持されているとノッキングが発生することがなく、従って実圧縮比を低い値に維持した状態で実膨張比を高くするとノッキングの発生を阻止しつつ理論熱効率を大巾に高めることができる。図8(B)は可変圧縮比機構Aおよび可変バルブタイミング機構Bを用いて、実圧縮比を低い値に維持しつつ実膨張比を高めるようにした場合の一例を示している。   Thus, if the actual compression ratio is maintained at a low value, knocking does not occur. Therefore, if the actual expansion ratio is increased with the actual compression ratio maintained at a low value, the theoretical thermal efficiency is prevented while preventing knocking. Can be greatly increased. FIG. 8B shows an example of using the variable compression ratio mechanism A and the variable valve timing mechanism B to increase the actual expansion ratio while maintaining the actual compression ratio at a low value.

図8(B)を参照すると、この例では可変圧縮比機構Aにより燃焼室容積が50mlから20mlまで減少せしめられる。一方、可変バルブタイミング機構Bによって実際のピストン行程容積が500mlから200mlになるまで吸気弁の閉弁時期が遅らされる。その結果、この例では実圧縮比は(20ml+200ml)/20ml=11となる。   Referring to FIG. 8B, in this example, the variable compression ratio mechanism A reduces the combustion chamber volume from 50 ml to 20 ml. On the other hand, the variable valve timing mechanism B delays the closing timing of the intake valve until the actual piston stroke volume is reduced from 500 ml to 200 ml. As a result, in this example, the actual compression ratio is (20 ml + 200 ml) / 20 ml = 11.

一方、図8(B)には排気弁9が下死点近傍で開弁する場合と、行程容積が450mlのときに排気弁9が開弁する場合とが示されている。排気弁9が下死点近傍で開弁する場合には実膨張比は(20ml+500ml)/20ml=26となり、行程容積が450mlのときに排気弁9が開弁する場合には実膨張比は(20ml+450ml)/20ml=23.5となる。図8(A)に示される通常のサイクルでは前述したように実圧縮比がほぼ11で実膨張比が11であり、この場合に比べると図8(B)に示される場合には実膨張比のみが26或いは23.5まで高められていることがわかる。これが超高膨張比サイクルと称される所以である。   On the other hand, FIG. 8B shows a case where the exhaust valve 9 opens near the bottom dead center and a case where the exhaust valve 9 opens when the stroke volume is 450 ml. When the exhaust valve 9 is opened near the bottom dead center, the actual expansion ratio is (20 ml + 500 ml) / 20 ml = 26, and when the exhaust valve 9 is opened when the stroke volume is 450 ml, the actual expansion ratio is ( 20 ml + 450 ml) / 20 ml = 23.5. In the normal cycle shown in FIG. 8A, the actual compression ratio is approximately 11 and the actual expansion ratio is 11 as described above. Compared to this case, the actual expansion ratio is greater in the case shown in FIG. It can be seen that only is increased to 26 or 23.5. This is why it is called an ultra-high expansion ratio cycle.

一般的に言って内燃機関では機関負荷が低いほど熱効率が悪くなり、従って機関運転時における熱効率を向上させるためには、即ち燃費を向上させるには機関負荷が低いときの熱効率を向上させることが必要となる。一方、図8(B)に示される超高膨張比サイクルでは圧縮行程時の実際のピストン行程容積が小さくされるために燃焼室5内に吸入しうる吸入空気量は少なくなり、従ってこの超高膨張比サイクルは機関負荷が比較的低いときにしか採用できないことになる。従って本発明では機関負荷が比較的低いときには図8(B)に示す超高膨張比サイクルとし、機関高負荷運転時には図8(A)に示す通常のサイクルとするようにしている。   Generally speaking, in an internal combustion engine, the lower the engine load, the worse the thermal efficiency. Therefore, in order to improve the thermal efficiency during engine operation, that is, to improve fuel efficiency, it is necessary to improve the thermal efficiency when the engine load is low. Necessary. On the other hand, in the ultra-high expansion ratio cycle shown in FIG. 8B, since the actual piston stroke volume during the compression stroke is reduced, the amount of intake air that can be sucked into the combustion chamber 5 is reduced. The expansion ratio cycle can only be adopted when the engine load is relatively low. Therefore, in the present invention, when the engine load is relatively low, the super high expansion ratio cycle shown in FIG. 8B is used, and during the high engine load operation, the normal cycle shown in FIG. 8A is used.

次に図9を参照しつつ三元触媒が十分に活性化しているときの運転制御全般について説明する。
図9には或る機関回転数における機関負荷に応じた機械圧縮比、実膨張比、吸気弁7の閉弁時期、実圧縮比、吸入空気量、スロットル弁19の開度およびポンピング損失の各変化が示されている。なお、本発明による実施例では触媒コンバータ22内の三元触媒によって排気ガス中の未燃HC、COおよびNOXを同時に低減しうるように通常燃焼室5内における平均空燃比は空燃比センサ23の出力信号に基いて理論空燃比にフィードバック制御されている。
Next, general operation control when the three-way catalyst is sufficiently activated will be described with reference to FIG.
FIG. 9 shows each of the mechanical compression ratio, the actual expansion ratio, the closing timing of the intake valve 7, the actual compression ratio, the intake air amount, the opening degree of the throttle valve 19 and the pumping loss according to the engine load at a certain engine speed. Changes are shown. In the embodiment according to the present invention, the average air-fuel ratio in the normal combustion chamber 5 is the air-fuel ratio sensor 23 so that unburned HC, CO and NO x in the exhaust gas can be simultaneously reduced by the three-way catalyst in the catalytic converter 22. Feedback control to the stoichiometric air-fuel ratio based on the output signal.

さて、前述したように機関高負荷運転時には図8(A)に示される通常のサイクルが実行される。従って図9に示されるようにこのときには機械圧縮比が低くされるために実膨張比は低く、図9において実線で示されるように吸気弁7の閉弁時期は図5において実線で示される如く早められている。また、このときには吸入空気量は多く、このときスロットル弁19の開度は全開又はほぼ全開に保持されているのでポンピング損失は零となっている。   As described above, the normal cycle shown in FIG. 8 (A) is executed during engine high load operation. Accordingly, as shown in FIG. 9, the actual expansion ratio is low because the mechanical compression ratio is lowered at this time, and as shown by the solid line in FIG. 9, the closing timing of the intake valve 7 is advanced as shown by the solid line in FIG. It has been. Further, at this time, the amount of intake air is large, and at this time, the opening degree of the throttle valve 19 is kept fully open or almost fully open, so that the pumping loss is zero.

一方、図9において実線で示されるように機関負荷が低くなるとそれに伴って吸入空気量を減少すべく吸気弁7の閉弁時期が遅くされる。またこのときには実圧縮比がほぼ一定に保持されるように図9に示される如く機関負荷が低くなるにつれて機械圧縮比が増大され、従って機関負荷が低くなるにつれて実膨張比も増大される。なお、このときにもスロットル弁19は全開又はほぼ全開状態に保持されており、従って燃焼室5内に供給される吸入空気量はスロットル弁19によらずに吸気弁7の閉弁時期を変えることによって制御されている。このときにもポンピング損失は零となる。   On the other hand, as shown by the solid line in FIG. 9, when the engine load becomes low, the closing timing of the intake valve 7 is delayed in order to reduce the intake air amount. Further, at this time, as shown in FIG. 9, the mechanical compression ratio is increased as the engine load is lowered so that the actual compression ratio is kept substantially constant. Therefore, the actual expansion ratio is also increased as the engine load is lowered. At this time as well, the throttle valve 19 is kept fully open or almost fully open, so the amount of intake air supplied into the combustion chamber 5 changes the closing timing of the intake valve 7 regardless of the throttle valve 19. Is controlled by that. Also at this time, the pumping loss becomes zero.

このように機関高負荷運転状態から機関負荷が低くなるときには実圧縮比がほぼ一定のもとで吸入空気量が減少するにつれて機械圧縮比が増大せしめられる。即ち、吸入空気量の減少に比例してピストン4が圧縮上死点に達したときの燃焼室5の容積が減少せしめられる。従ってピストン4が圧縮上死点に達したときの燃焼室5の容積は吸入空気量に比例して変化していることになる。なお、このとき燃焼室5内の空燃比は理論空燃比となっているのでピストン4が圧縮上死点に達したときの燃焼室5の容積は燃料量に比例して変化していることになる。   As described above, when the engine load is reduced from the engine high load operation state, the mechanical compression ratio is increased as the intake air amount is decreased while the actual compression ratio is substantially constant. That is, the volume of the combustion chamber 5 when the piston 4 reaches the compression top dead center is decreased in proportion to the decrease in the intake air amount. Therefore, the volume of the combustion chamber 5 when the piston 4 reaches the compression top dead center changes in proportion to the intake air amount. At this time, since the air-fuel ratio in the combustion chamber 5 is the stoichiometric air-fuel ratio, the volume of the combustion chamber 5 when the piston 4 reaches the compression top dead center changes in proportion to the fuel amount. Become.

機関負荷が更に低くなると機械圧縮比は更に増大せしめられ、機関負荷がやや低負荷寄りの中負荷L1まで低下すると機械圧縮比は燃焼室5の構造上限界となる限界機械圧縮比に達する。機械圧縮比が限界機械圧縮比に達すると、機械圧縮比が限界機械圧縮比に達したときの機関負荷L1よりも負荷の低い領域では機械圧縮比が限界機械圧縮比に保持される。従って低負荷側の機関中負荷運転時および機関低負荷運転時には即ち、機関低負荷運転側では機械圧縮比は最大となり、実膨張比も最大となる。別の言い方をすると機関低負荷運転側では最大の実膨張比が得られるように機械圧縮比が最大にされる。 When the engine load is further reduced, the mechanical compression ratio is further increased, and when the engine load is lowered to the medium load L 1 slightly close to the low load, the mechanical compression ratio reaches a limit mechanical compression ratio that is a structural limit of the combustion chamber 5. When the mechanical compression ratio reaches the limit mechanical compression ratio, the mechanical compression ratio is held at the limit mechanical compression ratio in a region where the load is lower than the engine load L 1 when the mechanical compression ratio reaches the limit mechanical compression ratio. Therefore, the mechanical compression ratio is maximized and the actual expansion ratio is maximized at the time of low engine load operation and low engine load operation, that is, at the engine low load operation side. In other words, the mechanical compression ratio is maximized so that the maximum actual expansion ratio is obtained on the engine low load operation side.

一方、図9に示される実施例では機関負荷がL1より低くなっても図9において実線で示されるように吸気弁7の閉弁時期は機関負荷が低くなるにつれて遅らされ、機関負荷がL2まで低下すると吸気弁7の閉弁時期が燃焼室5内に供給される吸入空気量を制御しうる限界閉弁時期となる。吸気弁7の閉弁時期が限界閉弁時期に達すると吸気弁7の閉弁時期が限界閉弁時期に達したときの機関負荷L2よりも負荷の低い領域では吸気弁7の閉弁時期が限界閉弁時期に保持される。 On the other hand, in the embodiment shown in FIG. 9, even when the engine load becomes lower than L 1 , as shown by the solid line in FIG. 9, the closing timing of the intake valve 7 is delayed as the engine load becomes lower. L closing timing of the intake valve 7 and decreases to 2 becomes the limit closing timing enabling control of the amount of intake air fed into the combustion chamber 5. When the closing timing of the intake valve 7 reaches the limit closing timing, the closing timing of the intake valve 7 in a region where the load is lower than the engine load L 2 when the closing timing of the intake valve 7 reaches the closing timing. Is held at the limit valve closing timing.

吸気弁7の閉弁時期が限界閉弁時期に保持されるともはや吸気弁7の閉弁時期の変化によっては吸入空気量を制御することができない。図9に示される実施例ではこのとき、即ち吸気弁7の閉弁時期が限界閉弁時期に達したときの機関負荷L2よりも負荷の低い領域ではスロットル弁19によって燃焼室5内に供給される吸入空気量が制御される。ただし、スロットル弁19による吸入空気量の制御が行われると図9に示されるようにポンピング損失が増大する。 When the closing timing of the intake valve 7 is held at the limit closing timing, the amount of intake air can no longer be controlled by changing the closing timing of the intake valve 7. In the embodiment shown in FIG. 9, at this time, that is, in a region where the load is lower than the engine load L 2 when the closing timing of the intake valve 7 reaches the limit closing timing, the throttle valve 19 supplies the fuel into the combustion chamber 5. The amount of intake air to be controlled is controlled. However, when the intake air amount is controlled by the throttle valve 19, the pumping loss increases as shown in FIG.

一方、図9に示されるように機関負荷がL1より高い機関高負荷運転側では実圧縮比は同一の機関回転数に対してはほぼ同一の実圧縮比に維持される。これに対し、機関負荷がL2よりも低いとき、即ち機械圧縮比が限界機械圧縮比に保持されているときには実圧縮比は吸気弁7の閉弁時期によって決まり、機関負荷がL1とL2の間におけるように吸気弁7の閉弁時期が遅らされると実圧縮比は低下し、機関負荷がL2よりも低い運転領域におけるように吸気弁7の閉弁時期が限界閉弁時期に保持されると実圧縮比は一定に維持される。 On the other hand, the engine load as shown in Figure 9 is the actual compression ratio at high engine high load operation side of the L 1 is maintained in the actual compression ratio substantially the same for the same engine speed. On the other hand, when the engine load is lower than L 2 , that is, when the mechanical compression ratio is maintained at the limit mechanical compression ratio, the actual compression ratio is determined by the closing timing of the intake valve 7, and the engine load is L 1 and L When the valve closing timing of the intake valve 7 is delayed as in 2, the actual compression ratio decreases, and the valve closing timing of the intake valve 7 becomes the limit valve closing as in the operation region where the engine load is lower than L 2. If it is held at the time, the actual compression ratio is kept constant.

一方、図9において破線で示すように機関負荷が低くなるにつれて吸気弁7の閉弁時期を早めることによってもスロットル弁19によらずに吸入空気量を制御することができる。従って、図9において実線で示される場合と破線で示される場合とをいずれも包含しうるように表現すると、本発明による実施例では吸気弁7の閉弁時期は、機関負荷が低くなるにつれて、燃焼室内に供給される吸入空気量を制御しうる限界閉弁時期L2まで吸気下死点BDCから離れる方向に移動せしめられることになる。 On the other hand, as shown by the broken line in FIG. 9, the intake air amount can be controlled without depending on the throttle valve 19 by advancing the closing timing of the intake valve 7 as the engine load becomes lower. Accordingly, when expressing the case shown in FIG. 9 so as to include both the case indicated by the solid line and the case indicated by the broken line, in the embodiment according to the present invention, the valve closing timing of the intake valve 7 becomes smaller as the engine load becomes lower. so that is moved in a direction away from intake bottom dead center BDC until the limit closing timing L 2 enabling control of the amount of intake air fed into the combustion chamber.

さて、触媒コンバータ22内の三元触媒の温度が低下して活性温度以下になると排気ガスの浄化が行われなくなり、従って三元触媒は活性温度以上に保持しておく必要がある。一方、図7からわかるように実膨張比が低下すると理論熱効率が低下し、排気ガス温が高くなる。従って本発明では三元触媒の温度が活性温度以下に低下すると予測されたときには実膨張比を低下させ、それにより排気ガス温を上昇させて三元触媒の温度を活性温度以上に保持するようにしている。   Now, when the temperature of the three-way catalyst in the catalytic converter 22 falls to below the activation temperature, the exhaust gas is not purified, and therefore the three-way catalyst needs to be kept at the activation temperature or higher. On the other hand, as can be seen from FIG. 7, when the actual expansion ratio decreases, the theoretical thermal efficiency decreases and the exhaust gas temperature increases. Therefore, in the present invention, when the temperature of the three-way catalyst is predicted to fall below the activation temperature, the actual expansion ratio is lowered, thereby increasing the exhaust gas temperature to keep the temperature of the three-way catalyst above the activation temperature. ing.

ところで実膨張比を低下させたときに実圧縮比が低下してしまうと燃料の着火および燃焼が悪化してしまう。そこで本発明ではこのとき実圧縮比を同一に保持しつつ又は実圧縮比を増大させつつ実膨張比を低下させるようにしている。   By the way, if the actual compression ratio is lowered when the actual expansion ratio is lowered, the ignition and combustion of the fuel will be worsened. Therefore, in the present invention, at this time, the actual expansion ratio is decreased while maintaining the same actual compression ratio or increasing the actual compression ratio.

図10は、三元触媒の温度が活性温度以下に低下すると予測されたときには機械圧縮比を低下させることによって実膨張比を低下させるようにした実施例を示している。なお、図10において実線は図9における実線を示しており、即ち三元触媒が活性化している場合の各値を示しており、図10において破線は三元触媒を昇温させる場合の各値を示している。   FIG. 10 shows an embodiment in which the actual expansion ratio is lowered by lowering the mechanical compression ratio when the temperature of the three-way catalyst is predicted to fall below the activation temperature. In FIG. 10, the solid line indicates the solid line in FIG. 9, that is, each value when the three-way catalyst is activated, and the broken line in FIG. 10 indicates each value when the temperature of the three-way catalyst is raised. Is shown.

図10からわかるようにこの実施例では三元触媒を昇温すべきときには機械圧縮比が実線に示す値から破線で示す値まで低下せしめられ、このとき実膨張比は実線で示す値から破線で示す値まで低下せしめられる。一方、この実施例ではこのとき実圧縮比が実線に示す値から破線で示す値まで上昇せしめられ、そのために吸気弁7の閉弁時期が実線から破線へと吸気下死点に近づく方向に移動せしめられると共にスロットル弁19の開度が実線から破線へと小さくされる。   As can be seen from FIG. 10, in this embodiment, when the temperature of the three-way catalyst is to be increased, the mechanical compression ratio is decreased from the value shown by the solid line to the value shown by the broken line, and at this time, the actual expansion ratio is changed from the value shown by the solid line to the broken line. Reduced to the indicated value. On the other hand, in this embodiment, at this time, the actual compression ratio is increased from the value shown by the solid line to the value shown by the broken line. The opening of the throttle valve 19 is reduced from the solid line to the broken line.

図11は、三元触媒の温度が活性温度以下に低下すると予測されたときには機械圧縮比を低下させることによって膨張比を低下させるようにした別の実施例を示している。なお、図11において実線は図9における実線を示しており、即ち三元触媒が活性化している場合の各値を示しており、図11において破線は三元触媒を昇温させる場合の各値を示している。   FIG. 11 shows another embodiment in which the expansion ratio is lowered by lowering the mechanical compression ratio when the temperature of the three-way catalyst is predicted to fall below the activation temperature. In FIG. 11, the solid line indicates the solid line in FIG. 9, that is, each value when the three-way catalyst is activated, and the broken line in FIG. 11 indicates each value when the temperature of the three-way catalyst is raised. Is shown.

この実施例でも三元触媒を昇温すべきときには機械圧縮比が実線に示す値から破線で示す値まで低下せしめられ、このとき実膨張比は実線で示す値から破線で示す値まで低下せしめられる。また、この実施例でもこのとき実圧縮比が実線に示す値から破線で示す値まで上昇せしめられ、そのために吸気弁7の閉弁時期が実線から破線へと吸気下死点に近づく方向に移動せしめられると共にスロットル弁19の開度が実線から破線へと小さくされる。   Also in this embodiment, when the temperature of the three-way catalyst is to be increased, the mechanical compression ratio is reduced from the value indicated by the solid line to the value indicated by the broken line, and at this time, the actual expansion ratio is reduced from the value indicated by the solid line to the value indicated by the broken line. . Also in this embodiment, at this time, the actual compression ratio is increased from the value shown by the solid line to the value shown by the broken line. The opening of the throttle valve 19 is reduced from the solid line to the broken line.

この実施例では図10に示す実施例とは異なって機関負荷が予め定められた負荷L0よりも低いときのみ三元触媒を昇温すべく機械圧縮比が低下せしめられ、更にこの場合機関負荷が低くなるほど機械圧縮比の低下量が増大せしめられる。即ち、機関負荷がL0よりも高いときには三元触媒の温度が活性温度以下になることはないと考えられ、従ってこの実施例では機関負荷がL0よりも高いときには三元触媒の温度にかかわらずに三元触媒の昇温作用は行われない。 In this embodiment, unlike the embodiment shown in FIG. 10, the mechanical compression ratio is lowered to raise the temperature of the three-way catalyst only when the engine load is lower than a predetermined load L 0. The lower the is, the more the amount of decrease in the mechanical compression ratio is increased. That is, when the engine load is higher than L 0, the temperature of the three-way catalyst is considered not to be lower than the activation temperature. Therefore, in this embodiment, when the engine load is higher than L 0 , it depends on the temperature of the three-way catalyst. Therefore, the temperature raising action of the three-way catalyst is not performed.

一方、機関負荷がL0よりも低い領域では機関負荷が低くなると排気ガス温が低くなると共に排気ガス量が少なくなる。従って三元触媒の温度が活性温度以下まで低下すると予測されたときに三元触媒の温度を活性温度に保持するためには機関負荷が低くなるほど排気ガス温を上昇させる必要がある。従ってこの実施例では三元触媒の温度が活性温度以下に低下すると予測されたときには機関負荷が低くなるほど機械圧縮比の低下量が増大せしめられ、それにより機関負荷が低くなるほど実膨張比の低下量が増大せしめられる。 On the other hand, in a region where the engine load is lower than L 0 , when the engine load is reduced, the exhaust gas temperature is lowered and the exhaust gas amount is reduced. Therefore, in order to keep the temperature of the three-way catalyst at the activation temperature when the temperature of the three-way catalyst is predicted to fall below the activation temperature, it is necessary to raise the exhaust gas temperature as the engine load decreases. Therefore, in this embodiment, when the temperature of the three-way catalyst is predicted to fall below the activation temperature, the amount of decrease in the mechanical compression ratio is increased as the engine load is reduced, and as a result, the amount of decrease in the actual expansion ratio is reduced as the engine load is reduced. Is increased.

図12に、図10および図11に示すいずれの実施例にも適用可能な運転制御ルーチンを示す。図12を参照するとまず初めにステップ100において温度センサ24の出力信号から三元触媒の温度TCが推定される。次いでステップ101では三元触媒の温度TCが活性温度以下に低下すると予測される温度T0、例えば三元触媒が活性化する温度よりもわずかばかり高い温度T0以下になったか否かが判別される。TC≧T0のとき、即ち三元触媒が十分に活性化しているときにはステップ102に進んで図9に示される運転制御が行われる。 FIG. 12 shows an operation control routine applicable to any of the embodiments shown in FIGS. Referring to FIG. 12, first, at step 100, the temperature TC of the three-way catalyst is estimated from the output signal of the temperature sensor 24. Next, at step 101, it is determined whether or not the temperature T 0 of the three-way catalyst is predicted to drop below the activation temperature, for example, a temperature T 0 or less that is slightly higher than the temperature at which the three-way catalyst is activated. The When TC ≧ T 0 , that is, when the three-way catalyst is sufficiently activated, the routine proceeds to step 102 where the operation control shown in FIG. 9 is performed.

即ち、ステップ102では目標実圧縮比CPが算出される。次いでステップ103では図13(A)に示すマップから吸気弁7の閉弁時期ICが算出される。即ち、要求吸入空気量を燃焼室5内に供給するのに必要な吸気弁7の閉弁時期ICが機関負荷Lおよび機関回転数Nの関数として図13(A)に示すようなマップの形で予めROM32内に記憶されており、このマップから吸気弁7の閉弁時期ICが算出される。   That is, at step 102, the target actual compression ratio CP is calculated. Next, at step 103, the closing timing IC of the intake valve 7 is calculated from the map shown in FIG. That is, the closing timing IC of the intake valve 7 necessary for supplying the required intake air amount into the combustion chamber 5 as a function of the engine load L and the engine speed N is in the form of a map as shown in FIG. The valve closing timing IC of the intake valve 7 is calculated from this map.

次いでステップ104では機械圧縮比CRが算出される。次いでステップ105ではスロットル弁17の開度が算出される。このスロットル弁17の開度θは機関負荷Lおよび機関回転数Nの関数として図13(B)に示すようなマップの形で予めROM32内に記憶されている。次いでステップ110では機械圧縮比が機械圧縮比CRとなるように可変圧縮比機構Aが制御され、吸気弁7の閉弁時期が閉弁時期ICとなるように可変バルブタイミング機構Bが制御され、スロットル弁17の開度が開度θとなるようにスロットル弁17が制御される。   Next, at step 104, the mechanical compression ratio CR is calculated. Next, at step 105, the opening of the throttle valve 17 is calculated. The opening θ of the throttle valve 17 is stored in advance in the ROM 32 as a function of the engine load L and the engine speed N in the form of a map as shown in FIG. Next, at step 110, the variable compression ratio mechanism A is controlled so that the mechanical compression ratio becomes the mechanical compression ratio CR, and the variable valve timing mechanism B is controlled so that the closing timing of the intake valve 7 becomes the closing timing IC, The throttle valve 17 is controlled so that the opening degree of the throttle valve 17 becomes the opening degree θ.

これに対し、ステップ101においてTC<T0になったと判断されたときには、即ち三元触媒の温度が活性温度以下に低下すると予測されたときにはステップ106に進んで図10の破線で示す運転制御に切換えられる。なお、図11に示す実施例では機関負荷がL0よりも低いときにTC<T0になったときにステップ106に進んで、図11の破線で示す運転制御に切換えられる。 On the other hand, when it is determined in step 101 that TC <T 0 , that is, when it is predicted that the temperature of the three-way catalyst will fall below the activation temperature, the routine proceeds to step 106 and the operation control indicated by the broken line in FIG. Switched. In the embodiment shown in FIG. 11, when TC <T 0 when the engine load is lower than L 0 , the routine proceeds to step 106 and is switched to the operation control indicated by the broken line in FIG.

即ち、まず初めにステップ106において目標実圧縮比CP’が算出される。次いでステップ107では図14(A)に示すマップから吸気弁7の閉弁時期IC’が算出される。即ち、この場合にも要求吸入空気量を燃焼室5内に供給するのに必要な吸気弁7の閉弁時期IC’が機関負荷Lおよび機関回転数Nの関数として図14(A)に示すようなマップの形で予めROM32内に記憶されており、このマップから吸気弁7の閉弁時期IC’が算出される。   That is, first, at step 106, the target actual compression ratio CP 'is calculated. Next, at step 107, the closing timing IC 'of the intake valve 7 is calculated from the map shown in FIG. That is, also in this case, the closing timing IC ′ of the intake valve 7 necessary for supplying the required intake air amount into the combustion chamber 5 is shown as a function of the engine load L and the engine speed N in FIG. The map is stored in advance in the ROM 32, and the closing timing IC ′ of the intake valve 7 is calculated from this map.

次いでステップ108では機械圧縮比CR’が算出される。次いでステップ109ではスロットル弁19の開度が算出される。このスロットル弁19の開度θ’も機関負荷Lおよび機関回転数Nの関数として図14(B)に示すようなマップの形で予めROM32内に記憶されている。次いでステップ110では機械圧縮比が機械圧縮比CR’となるように可変圧縮比機構Aが制御され、吸気弁7の閉弁時期が閉弁時期IC’となるように可変バルブタイミング機構Bが制御され、スロットル弁19の開度が開度θ’となるようにスロットル弁19が制御される。なお、このとき排気ガス温を更に高めるために点火時期を遅角することもできる。   Next, at step 108, the mechanical compression ratio CR 'is calculated. Next, at step 109, the opening of the throttle valve 19 is calculated. The opening θ ′ of the throttle valve 19 is also stored in advance in the ROM 32 as a function of the engine load L and the engine speed N in the form of a map as shown in FIG. Next, at step 110, the variable compression ratio mechanism A is controlled so that the mechanical compression ratio becomes the mechanical compression ratio CR ′, and the variable valve timing mechanism B is controlled so that the closing timing of the intake valve 7 becomes the closing timing IC ′. Then, the throttle valve 19 is controlled so that the opening degree of the throttle valve 19 becomes the opening degree θ ′. At this time, the ignition timing can be retarded in order to further increase the exhaust gas temperature.

図15から図17に更に別の実施例を示す。この実施例では図15に示されるように吸気弁7に対して設けられている可変バルブタイミング機構Bと同様な構造の可変バルブタイミング機構B’が排気弁9に対しても設けられている。従ってこの可変バルブタイミング機構B’は排気弁9の閉弁時期を制御可能でありかつ排気弁9の開弁時期も個別に制御可能である。   15 to 17 show still another embodiment. In this embodiment, as shown in FIG. 15, a variable valve timing mechanism B ′ having the same structure as the variable valve timing mechanism B provided for the intake valve 7 is also provided for the exhaust valve 9. Therefore, this variable valve timing mechanism B 'can control the closing timing of the exhaust valve 9 and can individually control the opening timing of the exhaust valve 9.

この実施例では三元触媒の温度が活性温度以下に低下すると予測されたときには機械圧縮比を低下させることなく、図16に示されるように排気弁9の開弁時期EOを通常時のEO0からEO1に早め、それによって実膨張比を低下させるようにしている。 In this embodiment, when it is predicted that the temperature of the three-way catalyst will fall below the activation temperature, the opening timing EO of the exhaust valve 9 is set to the normal EO 0 as shown in FIG. 16 without reducing the mechanical compression ratio. From EO 1 to EO 1 , thereby reducing the actual expansion ratio.

図17に運転制御ルーチンを示す。図17を参照するとまず初めにステップ200において温度センサ24の出力信号から三元触媒の温度TCが推定される。次いでステップ201では三元触媒の温度TCが活性温度以下に低下すると予測される温度T0以下になったか否かが判別される。TC≧T0のとき、即ち三元触媒が十分に活性化しているときにはステップ202に進んで排気弁9の開弁時期EOが図16に示される通常の開弁時期EO0とされる。次いでステップ204に進む。 FIG. 17 shows an operation control routine. Referring to FIG. 17, first, at step 200, the temperature TC of the three-way catalyst is estimated from the output signal of the temperature sensor 24. Next, at step 201, it is judged if the temperature TC of the three-way catalyst has fallen below the temperature T 0 that is predicted to drop below the activation temperature. When TC ≧ T 0 , that is, when the three-way catalyst is sufficiently activated, the routine proceeds to step 202 where the valve opening timing EO of the exhaust valve 9 is made the normal valve opening timing EO 0 shown in FIG. Next, the routine proceeds to step 204.

これに対し、ステップ201においてTC<T0になったと判断されたときには、即ち三元触媒の温度が活性温度以下に低下すると予測されたときにはステップ203に進んで排気弁9の開弁時期EOが図16に示されるEO1まで早められる。このとき排気ガス温を更に高めるために点火時期を遅角することができる。次いでステップ204に進む。 On the other hand, when it is determined in step 201 that TC <T 0 , that is, when it is predicted that the temperature of the three-way catalyst will fall below the activation temperature, the routine proceeds to step 203 where the opening timing EO of the exhaust valve 9 is set. It is advanced to EO 1 shown in FIG. At this time, the ignition timing can be retarded to further increase the exhaust gas temperature. Next, the routine proceeds to step 204.

ステップ204以後では図9に示される運転制御が行われる。即ち、ステップ204では目標実圧縮比CPが算出される。次いでステップ205では図13(A)に示すマップから吸気弁7の閉弁時期ICが算出される。次いでステップ206では機械圧縮比CRが算出される。次いでステップ207では図13(B)に示すマップからスロットル弁19の開度θが算出される。次いでステップ208では機械圧縮比が機械圧縮比CRとなるように可変圧縮比機構Aが制御され、吸気弁7の閉弁時期が閉弁時期ICとなるように可変バルブタイミング機構Bが制御され、排気弁9の開弁時期EOが開弁時期EO0又はEO1となるように可変バルブタイミング機構Bが制御され、スロットル弁19の開度が開度θとなるようにスロットル弁19が制御される。 After step 204, the operation control shown in FIG. 9 is performed. That is, in step 204, the target actual compression ratio CP is calculated. Next, at step 205, the closing timing IC of the intake valve 7 is calculated from the map shown in FIG. Next, at step 206, the mechanical compression ratio CR is calculated. Next, at step 207, the opening degree θ of the throttle valve 19 is calculated from the map shown in FIG. Next, at step 208, the variable compression ratio mechanism A is controlled so that the mechanical compression ratio becomes the mechanical compression ratio CR, and the variable valve timing mechanism B is controlled so that the closing timing of the intake valve 7 becomes the closing timing IC, The variable valve timing mechanism B is controlled so that the valve opening timing EO of the exhaust valve 9 becomes the valve opening timing EO 0 or EO 1, and the throttle valve 19 is controlled so that the opening degree of the throttle valve 19 becomes the opening degree θ. The

なお、前述したように図8(B)に示す超高膨張比サイクルでは実膨張比が26或いは23.5とされる。この実膨張比は高いほど好ましいが20以上であればかなり高い理論熱効率を得ることができる。従って本発明では実膨張比が20以上となるように可変圧縮比機構Aが形成されている。   As described above, in the ultra-high expansion ratio cycle shown in FIG. 8B, the actual expansion ratio is set to 26 or 23.5. This actual expansion ratio is preferably as high as possible, but if it is 20 or more, a considerably high theoretical thermal efficiency can be obtained. Therefore, in the present invention, the variable compression ratio mechanism A is formed so that the actual expansion ratio is 20 or more.

火花点火式内燃機関の全体図である。1 is an overall view of a spark ignition internal combustion engine. 可変圧縮比機構の分解斜視図である。It is a disassembled perspective view of a variable compression ratio mechanism. 図解的に表した内燃機関の側面断面図である。1 is a schematic side sectional view of an internal combustion engine. 可変バルブタイミング機構を示す図である。It is a figure which shows a variable valve timing mechanism. 吸気弁および排気弁のリフト量を示す図である。It is a figure which shows the lift amount of an intake valve and an exhaust valve. 機械圧縮比、実圧縮比、膨張比および実膨張比を説明するための図である。It is a figure for demonstrating a mechanical compression ratio, an actual compression ratio, an expansion ratio, and an actual expansion ratio. 理論熱効率と実膨張比との関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between theoretical thermal efficiency and an actual expansion ratio. 通常のサイクルおよび超高膨張比サイクルを説明するための図である。It is a figure for demonstrating a normal cycle and a super-high expansion ratio cycle. 機関負荷に応じた機械圧縮比等の変化を示す図である。It is a figure which shows changes, such as a mechanical compression ratio according to an engine load. 機関負荷に応じた機械圧縮比等の変化を示す図である。It is a figure which shows changes, such as a mechanical compression ratio according to an engine load. 機関負荷に応じた機械圧縮比等の変化を示す図である。It is a figure which shows changes, such as a mechanical compression ratio according to an engine load. 運転制御を行うためのフローチャートである。It is a flowchart for performing operation control. 吸気弁の閉弁時期IC等のマップを示す図である。It is a figure which shows maps, such as valve closing timing IC of an intake valve. 吸気弁の閉弁時期IC’等のマップを示す図である。It is a figure which shows maps, such as valve closing timing IC 'of an intake valve. 火花点火式内燃機関の別の実施例を示す全体図である。It is a general view which shows another Example of a spark ignition type internal combustion engine. 排気弁の開弁時期EOを示す図である。It is a figure which shows the valve opening time EO of an exhaust valve. 運転制御を行うためのフローチャートである。It is a flowchart for performing operation control.

符号の説明Explanation of symbols

1 クランクケース
2 シリンダブロック
3 シリンダヘッド
4 ピストン
5 燃焼室
7 吸気弁
A 可変圧縮比機構
B 可変バルブタイミング機構
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Crankcase 2 Cylinder block 3 Cylinder head 4 Piston 5 Combustion chamber 7 Intake valve A Variable compression ratio mechanism B Variable valve timing mechanism

Claims (3)

機械圧縮比を変更可能な可変圧縮比機構と、吸気弁の閉弁時期を制御可能な可変バルブタイミング機構と、機関吸気通路内に配置されたスロットル弁と、機関排気通路内に配置された触媒とを具備しており、触媒が活性化しているときには機械圧縮比は機関負荷が低くなるにつれて最大機械圧縮比まで増大せしめられると共に吸気弁の閉弁時期は機関負荷が低くなるにつれて吸気下死点から離れる方向に移動せしめられる火花点火式内燃機関において、機関排気通路内に配置された触媒の温度を予測する予測手段とを具備しており、触媒の温度が活性温度以下に低下すると予測されたときは実圧縮比を同一に保持しつつ又は実圧縮比を増大させつつ実膨張比を低下させるために機関負荷が低下するに応じて、機械圧縮比の低下量が大きくされ、吸気弁の閉弁時期を吸気下死点に近づく方向に移動させる量が大きくされ、スロットル弁の開度の低下量が大きくされる火花点火式内燃機関。 A variable compression ratio mechanism capable of changing the mechanical compression ratio, a variable valve timing mechanism capable of controlling the closing timing of the intake valve, a throttle valve disposed in the engine intake passage, and a catalyst disposed in the engine exhaust passage When the catalyst is activated, the mechanical compression ratio is increased to the maximum mechanical compression ratio as the engine load is reduced, and the intake valve closing timing is the intake bottom dead center as the engine load is reduced. The spark ignition type internal combustion engine moved in a direction away from the engine is provided with a predicting means for predicting the temperature of the catalyst arranged in the engine exhaust passage, and the temperature of the catalyst is predicted to be lowered below the activation temperature. time in accordance with the engine load in order to reduce the actual expansion ratio while increasing the while being or actual compression ratio holding the actual compression ratio at the same decreases, the amount of decrease in the mechanical compression ratio is increased Amount to shift the closing timing of the intake valve in a direction approaching the intake bottom dead center is large, spark ignition type internal combustion engine the amount of decrease in the opening degree of the throttle valve is increased. 触媒の温度が活性温度以下に低下すると予測されたときには点火時期が遅角される請求項1に記載の火花点火式内燃機関。 The spark ignition internal combustion engine according to claim 1, wherein the ignition timing is retarded when the temperature of the catalyst is predicted to fall below the activation temperature . 上記最大機械圧縮比のときの膨張比が20以上である請求項1に記載の火花点火式内燃機関。 2. The spark ignition internal combustion engine according to claim 1 , wherein an expansion ratio at the maximum mechanical compression ratio is 20 or more .
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